JPH03122533A - 光検出装置 - Google Patents

光検出装置

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JPH03122533A
JPH03122533A JP1259838A JP25983889A JPH03122533A JP H03122533 A JPH03122533 A JP H03122533A JP 1259838 A JP1259838 A JP 1259838A JP 25983889 A JP25983889 A JP 25983889A JP H03122533 A JPH03122533 A JP H03122533A
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JP
Japan
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layer
photodiode
diode
electrode
layers
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Pending
Application number
JP1259838A
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English (en)
Inventor
Tadashi Oohayashi
只志 大林
Seishiro Mizukami
水上 誠志郎
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Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
Original Assignee
Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、X線検出装置、ファクシミリ装置等に使用さ
れる光検出装置に関し、更に詳しくはフォトダイオード
を主要構成要素とする光検出装置に関する。
[従来の技術] 従来、例えばXtlCTスキャナーに使用されるX線検
出装置としてシンチレータとフォトダイオードとを組合
わせたものが代表的に使用されている。シンチレータで
X線を赤外光又は可視光に変換したうえで、これをフォ
トダイオードで検出する。
第10図及び第11図は、従来のX線CTスキャナー用
のpin型フォトダイオードアレイを示す。
ガラス基板(2)上に帯状の共通電極(4)が設けられ
、これに沿って多数の個別電極(6)が1次元配置され
る。薩電極(4,6)はいずれもC「で構成される。各
個別電極(6)上から共通電極(4)上にかけて下から
順にn層(10)、i層(11)及びp層(12)から
なる非晶質Si半導体層(15)が設けられる。半導体
層(15)上にはITOからなる透明導電膜(30)が
形成され、この透明導電膜(30)の端部が個別電極(
6)に接触する。これにより、半導体層(15)を共通
電極(4)と透明導電膜(30)とで挟んだ構造のpi
n型フォトダイオード素子が形成され、半導体層(15
)の出力が共通電極(4)と個別電極(6)とを通して
引き出される。通常、透明導電膜(30)上に更に透明
樹脂をコーティングして以上のフォトダイオード素子を
保護する。
[発明が解決しようとする課8E 第12図は、以上に説明した従来のフォトダイオードア
レイ(44)の1素子におけるバイアス打丁で測定を行
なった。1素子あたりの静電容量測定値は非常に大きく
、5500pFであった。
さて、フォトダイオード素子の要求特性としてSN比が
大きいこと、放射感度が大きくしがもバラツキが小さい
こと、静電容量が小さいこと等が挙げられる。
SN比及び感度を大きくするには、前記のpin型非型
置晶質Si半導体層5)を採用し、n層(10)にa−
Si:H,i層(1」)にa−5i;H。
p層(12)にa−SiC:Hをそれぞれ用いれば良い
(特開昭57−9567及び電子材料9第40頁 19
82 参照)。感度のバラツキは、半導体層(15)及
び透明導電膜(30)を均一に製造する技術に依存する
非晶質Siは、誘電率が結晶SLにほぼ等しい。ところ
が、上記非晶質Siフォトダイオードは、非晶質材料を
採用しているために製造が容易である反面、半導体層(
15)を通常0.1μm〜3μm程度の膜厚とするから
、1素子あたりの静電容量が前記のように非常に太き(
なる欠点があった。静電容量が大きければ、光を電気信
号に変換して読取る際にノイズの影響を大きく受けてS
N比が悪くなるだけでなく、応答が遅くなるのである。
さて、フォトダイオード1素子の静電容量Cは、C−ε
S/d (ここに、εは誘電率、Sは素子面積、dは膜
厚をそれぞれ表わす。)で求められる。したがって、静
電容量Cを小さくするためには、素子面積Sを小さくし
たり、膜厚dを大きくしたりすることが考えられる。と
ころが、素子面積Sを小さくすることは充電変換効率の
低下を招くので好ましくない。また、膜厚d特にi層(
11)の膜厚を大きくすると、素子に印加する逆バイア
ス電圧が小さい場合に十分な電界がキャリアにかからな
いために再結合、トラップ単位の影響を受けて電流感度
がばらつき、位置に応じた光電流を正確に検出できない
問題が生じる。非晶質Siではキャリアのμτ積(移動
度μと寿命τとの積)が小さくて、膜厚の大きいi層(
11)をキャリアが通り抜けられないのである。
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであって、フ
ォトダイオード素子の面積を小さくしたり、この素子を
構成する半導体層の膜厚を大きくしたりすることなく、
素子静電容量を小さくした光検出装置を提供することを
目的とする。
[課題を解決するための手段] 本発明に係る光検出装置は、前記の目的を達成するため
にフォトダイオードと同一基板上にダイオードを設け、
両者を直列接続したことを特徴とする。フォトダイオー
ドに対してダイオードを逆方向に直列接続すれば良い。
ただし、ダイオードの漏れ電流がフォトダイオードに比
べて1桁以上大きい場合には、両者を同一方向に直列接
続しても良い。
逆バイアス時だけでなく順バイアス時にも電流感度を低
下させることなく静電容量を下げるためには、フォトダ
イオードに比べて電流立ち上がり電圧すなわちVf値の
小さいダイオードを組合せる。
フォトダイオードとダイオードとはともに非品質Si半
導体で構成することができ、この場合にはpin型フォ
トダイオードとショットキー型ダイオードとを組合せれ
ば、ダイオードのVf値がフォトダイオードより小さく
なって好都合である。
[作 用] 本発明に係る光検出装置では、フォトダイオードの素子
面積とこれに直列接続するダイオードの素子面積との比
率を変更して素子静電容量をコントロールすることがで
き、静電容量の低減が可能である。この際、フォトダイ
オードに比べてVf値の小さいダイオードを組合せれば
、逆バイアス時だけでなく順バイアス時にも電流感度を
低下させることなく静電容量が引下げられる。この意味
で、フォトダイオードとダイオードとの両者を非晶質S
i半導体で構成する場合には、pin型フォトダイオー
ドとショットキー型ダイオードとを組合せる。
[実施例] 以下、再びX線CTスキャナー用のpin型非晶質Si
フォトダイオードアレイを取上げて、本発明の詳細な説
明する。
第1図及び第2図は、本発明の実施例に係るフォトダイ
オードアレイを示す。
0.55mm厚のガラス基板(2)(例えばコニング社
製のホウケイ酸ガラス7059)上1: 1000人の
Cr層をスパッタ蒸着し、これをフォトリソグラフィの
手法でバターニングして、帯状の共通電極(4)とこれ
に沿って1次元配列した多数の個別電極(6)とを形成
する。ただし、Crに代えてTi、Afi、Nt等の他
の金属を用いても良い。
次に、各個別電極(6)上から共通電極(4)上にかけ
て、下から順にn層、i層及びp層からなる非晶質Si
半導体層(15,25)を設ける。n層はPをドーピン
グしたa−8i:H膜であって、SiHSPH及びH2
からなる混合ガ3 スを高周波グロー放電により250℃で分解して、これ
を300A堆積する。この上のi層はドーピングしない
a−5i:H膜であって、SiH4ガスを高周波グロー
放電により250℃で分解して、これを約500人堆積
する。この上のp層はBをドーピングしたa−8iC;
H膜であって、S iH、B  H、CH4及び4  
 2  6 H2からなる混合ガスを高周波グロー放電により200
℃で分解して、これを150〜200人堆積する。
pin各層の物性値は次のとおりである。
(1) n層(a−8i : H) 禁制帯E    −1,75eV  opt 3 光照射時導電率σ、h−10/Ω・cm(2)i層(a
−S i : H) 禁制帯E    =1,75eV  opt 4 光照射時導電率σ、h−10/Ω・cm10 暗時導電率σ −10/Ω・cm (3)p層(a−S i C: H) 禁制帯E    −2,OeV  opt 3 光照射時導電率σph−10/Ω・cm次に、レジスト
パターンを使用しながらこの非晶質Si半導体層をエツ
チングして、フォトダイオード部分PDを構成する半導
体層(15)とダイオード部分りを構成する半導体層(
25)とに分離する。エツチングにはCF4と02との
混合ガスが使用可能である。フォトダイオード部分PD
の半導体層(15)を構成するn層(10)、i層(1
1)及びp層(12)は、共通電極(4)上において各
個別電極(8)に対向する位置に1次元配置される。ダ
イオード部分りの半導体層(25)を構成するn層(2
0)、i層(21)及びp層(22)は各個別電極(6
)上に配置される。
この上にEB蒸着法により温度200℃、到6 違圧力1xlOTorr、O分圧5X10−’T Or
rの条件下でITOを800人蒸着した後、これを塩酸
、硝酸及び水の混合液でパターン化して透明導電膜(3
0)とする。このITOからなる透明導電膜(30)は
、両生導体層(15,25)のp層(12,22)をつ
なぐように短冊状に形成されるが、従来とは違って端部
が個別電極(8)に接触することはない。更に透明導電
膜(30)上に約2000人の厚みのC「膜をスパッタ
蒸着して、ダイオード部分りの半導体層(25)の上方
位置だけに金属電極(32)を形成してこの半導体層(
25)を遮光する。
以上の工程により、半導体層(15)を共通電極(4)
と透明導電膜(30)とで挟んだ構造のpin型フォト
ダイオードPDと、半導体層(25)を透明導電膜(3
0)及び金属電極(32)と個別電極(6)とで挟んだ
構造のpin型ダイオードDとが形成されると同時に、
これらフォトダイオードPDとダイオードDとが互いに
逆方向に直列接続される。この直列回路の出力は、共通
電極(4)と個別[!1(8)とを通して引き出される
。ただし、共通電極(4)及び個別電極(6)を外部接
続のために一部残して透明なエポキシ樹脂を約10μm
コーティングし、これを熱硬化させて以上の画素子を保
護するが、図示を省略している。
なお、透明導電膜(30)を構成するITOの膜厚を8
00人としたのは、ITOの屈折率が1゜9であり、こ
の下の半導体層(15)の屈折率が3゜4であり、IT
O上にコーティングされる透明樹脂の屈折率が1.5で
あるため、800Aが入射波長550nmに対してほぼ
無反射膜厚となるからである。
第3図は、以上のようにしてできた本発明の実施例に係
るフォトダイオードアレイ(41)の1素子を示す等価
回路図である。
同図に示すように、共通電極(4)と個別電極(6)と
の間には、pin型フォトダイオードPDと、同じ(p
in型のダイオードDとが互いに逆方向に直列接続され
ており、この直列回路に対して静電容量Cが並列接続さ
れている。この静電容量CはフォトダイオードPDの素
子面積とダイオードDの素子面積との比率の変更によっ
て可変であり、静電容量Cの低減が可能である。
第4図は、このフォトダイオードアレイ(41)の1素
子におけるバイアス電圧VBに対する光電流■の感度特
性図である。ただし、前記従来例と同様に受光面積を0
.25 c m2として螢光打丁で測定を行なった。1
素子あたりの静電容量測定値は、600pFまで大幅に
低下する。
しかも、本実施例では第12図に示す従来の特性に比べ
て逆バイアス特性にほとんど差がない。
つまり、フォトダイオードPDに対して逆バイアス方向
で光電流■が低下することなく、静電容量Cが低下する
。ただし、フォトダイオードPD及びダイオードDのV
f値は等しく、電流0.3μ八時にいずれも0.55V
であった。
さて、フォトダイオードPDに比べてVf値の小さいダ
イオードDを組合せれば、逆バイアス時だけでなく順バ
イアス時にも電流感度を低下させることなく静電容量が
引下げられる。第5図及び第6図を用いてこの理由を説
明する。
第5図は、Vf値の異なるフォトダイオードPDとダイ
オードDとを組合せた場合のフォトダイオードアレイ素
子の暗時電流−電圧特性を示す。この素子に光を照射す
ると、第6図のように電流−電圧特性が変化する。ただ
し、両図においてフォトダイオードPDのみの場合の特
性とダイオードDのみの場合の特性とは仮想線で示す。
第6図に示すように、フォトダイオードPDの電流零点
が光起電力によりa点にシフトし、逆にダイオードDの
電圧降下ΔVが起こり、素子全体の電気特性は第6図中
のf−c−b−a−d−eを通る曲線となる。しかも、
電圧降下ΔVはフォトダイオードPDとダイオードDと
のVf値の差が大きいほど小さくなる。したがって、フ
ォトダイオードPDを非晶質Siで構成したpin型と
する場合には、これよりVf値の小さいショットキー型
の非晶質Siダイオードを組合せるのが好ましい。結晶
型のSiダイオードを組合せても良い。
第7図は、pin型の非晶質SiフォトダイオードPD
にショットキー型の非晶質SiダイオードDを組合せた
フォトダイオードアレイの例を示す。
このフォトダイオードアレイ(42)が第1図及び第2
図に基づいて説明した前記のフォトダイオードアレイ(
41)と異なるのは、ダイオード部分りの透明導電膜(
30)とp層(21)とをエツチングで除去したうえで
、約2000人の厚みのCr膜をスパッタ蒸着して透明
導電膜(30)に導通する金属電極(32)を形成した
点である。
これにより、半導体層(15)を共通電極(4)と透明
導電膜(30)とで挟んだ構造のpin型フォトダイオ
ードPDと、n層(20)とi層(21)とからなる半
導体層(25)を金属電極(32)と個別電極(6)と
で挟んだ構造のショットキー型ダイオードDとが形成さ
れると同時に、これらフォトダイオードPDとダイオー
ドDとが互いに逆方向に直列接続される。
第8図は、このフォトダイオードアレイ(42)の1素
子におけるバイアス電圧VBに対する光電流lの感度特
性図である。ただし、前記と同様に受光面積を0. 2
5 c m2として螢光打丁で測定を行なった。1素子
あたりの静電容量測定値は、7009Fまで大幅に低下
する。しかも、本実施例では第12図に示す従来の特性
に比べて逆バイアス特性だけでなく順バイアス特性でも
ほとんど差がない。つまり、フォトダイオードPDに対
して逆バイアス及び順バイアスの双方向で光電流Iが低
下することなく、静電容量Cが大幅に低下する。ただし
、フォトダイオードPD及びダイオードDのVf値は、
電流0.3μA時ニソレぞれ0.55V及び0.IVで
あった。
第9図も、pin型の非晶質SiフォトダイオードPD
にショットキー型の非晶質SiダイオードDを組合せた
フォトダイオードアレイの例を示す。
このフォトダイオードアレイ(43)が第7図に基づい
て説明した前記のフォトダイオードアレイ(42)と異
なるのは、フォトダイオード部分PDの半導体層(15
)とダイオード部分りの半導体層(25)との間をS 
I O2からなる絶縁部(34)で隔絶したうえで透明
導電膜(30)に導通する金属電極(32)を形成した
点である。
このフォトダイオードアレイ(43)の感度特性は第8
図に示したものとほぼ同一であって、フォトダイオード
PD及びダイオードDのVf値は、電流0.3μA時に
それぞれ0.55V及び0.1vであった。静電容量測
定値は7009Fであった。つまり、本実施例でもフォ
トダイオードPDに対して逆バイアス及び順バイアスの
双方向で光電流Iが低下することな(、静電容量Cが大
幅に低下する。
なお、以上に説明した実施例ではいずれもフォトダイオ
ードPDとダイオードDとのアノードどおしを接続して
いるが、カソードどおしを接続した直列回路も構成可能
である。また、ダイオードDの漏れ電流がフォトダイオ
ードPDに比べて1桁以上大きい場合には、両者を同一
方向に直列接続してもフォトダイオードPDの電流特性
を変えずに静電容量だけを低減することができる。
[発明の効果] 以上に説明したように、本発明に係る光検出装置は、フ
ォトダイオードと同一基板上にダイオードを一体的に設
け、両者を直列接続したものであって、フォトダイオー
ド素子の面積を小さくしたり、この素子を構成する半導
体層の膜厚を大きくしたりすることなく、またフォトダ
イオードに対して少なくとも逆バイアス方向で光電流を
低下させることなく、素子静電容量を小さくすることが
できる。したがって、本発明によれば、信号読取り時の
ノイズを低減してSN比を向上させることができるだけ
でなく、応答が速くなる効果がある。しかも、フォトダ
イオードの素子面積とこれに直列接続するダイオードの
素子面積との比率を変更して素子静電容量をコントロー
ルすることができ、任意の静電容量を得ることができる
という効果もある。
フォトダイオードに比べてVf値の小さいダイオードを
組合せれば、逆バイアス時だけでなく順バイアス時にも
電流感度を低下させることなく素子静電容量を下げるこ
とができる。また、フォトダイオードとダイオードとを
ともに非晶質Si半導体で構成すれば、パターン化が容
易になって製造コストを低減することができる。
このようにフォトダイオードとダイオードとの両者を非
晶質Si半導体で構成する場合には、pin型フォトダ
イオードとショットキー型ダイオードとを組合せれば、
ダイオードのVf値がフォトダイオードより小さくなっ
て好都合である。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の実施例に係るフォトダイオードアレ
イの平面図、 第2図は、前図の■−■断面図、 第3図は、前2図のフォトダイオードアレイの1素子を
示す等価回路図、 第4図は、第1図及び第2図のフォトダイオードアレイ
の1素子におけるバイアス電圧に対する光電流の感度特
性図、 第5図は、Vf値の異なるフォトダイオードとダイオー
ドとを組合せた場合のフォトダイオードアレイ素子に関
する暗時電流−電圧特性の説明図、 第6図は、光照射時の前図と同様の図、第7図は、本発
明の他の実施例に係るフォトダイオードアレイの断面図
、 第8図は、前図のフォトダイオードアレイの1素子にお
けるバイアス電圧に対する光電流の感度特性図、 第9図は、本発明の更に他の実施例に係るフォトダイオ
ードアレイの断面図、 第10図は、従来のフォトダイオードアレイの平面図、 第11図は、前図の℃−℃断面図、 第12図は、前2図のフォトダイオードアレイの1素子
におけるバイアス電圧に対する光電流の感度特性図であ
る。 符号の説明 2・・・ガラス基板、4・・・共通電極、6・・・個別
電極、lO・・・n層、11・・・i層、12・・・p
層、15・・・半導体層、20・・・n層、21・・・
i層、22・・・p層、25・・・半導体層、30・・
・透明導電膜、32・・・金属電極、34・・・絶縁部
、41.42,43.44・・・フォトダイオードアレ
イ、D・・・ダイオード、FD・・・フォトダイオード

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、フォトダイオードと同一基板上にダイオードを設け
    、両者を直列接続したことを特徴とする光検出装置。 2、フォトダイオードに対してダイオードを逆方向に接
    続したことを特徴とする請求項1記載の光検出装置。 3、フォトダイオードに比べてダイオードの方が電流立
    ち上がり電圧が小さいことを特徴とする請求項1又は2
    に記載の光検出装置。 4、フォトダイオードとダイオードとがともに非晶質S
    i半導体からなることを特徴とする請求項1〜3のいず
    れか1項に記載の光検出装置。 5、フォトダイオードがpin型であり、ダイオードが
    ショットキー型であることを特徴とする請求項4記載の
    光検出装置。
JP1259838A 1989-10-04 1989-10-04 光検出装置 Pending JPH03122533A (ja)

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